PODRĘCZNIK BUDOWY ZESTAWÓW GŁOŚNIKOWYCH. Friedeman Hausdorf

Transkrypt

1 PODRĘCZNIK BUDOWY ZESTAWÓW GŁOŚNIKOWYCH Friedeman Hausdorf Poznan 1996

2 Konsultacja: dr hab. inż. Andrzej Dobrucki 1993 Copyright VISATON, Peter Schukat ISBN Wstęp W dzisiejszych czasach można nabyć tak dobre i tanie gotowe zestawy głośnikowe, że samodzielna budowa zupełnie się nie opłaca. Pogląd ten nie jest odosobniony. Jeśli ktoś nie ma zdolności ani zamiłowania do majsterkowania, opinia ta może wydawać się mu rzeczywiście słuszna. Z drugiej strony bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na cenę gotowych zestawów głośnikowych jest sama obudowa. Majsterkowicz zaś może ją wykonać według własnego gustu równie dobrze, jeśli nie lepiej. Jeśli zaoszczędzone w ten sposób pieniądze przeznaczymy na wysokiej klasy płyty czołowe lub zwrotnice częstotliwościowe, to własnoręcznie zbudowany zestaw może nawet w efekcie przewyższać jakością gotowy produkt w tej samej cenie. Nie należy przy tym zapominać, że najlepsza elektronika w łańcuchu odtwarzania na nic się nie przyda, jeżeli element końcowy, czyli głośnik, nie będzie wiernie przekształcać sygnałów elektrycznych w fale dźwiękowe. Niniejsza książka powinna ułatwić samodzielną budowę zestawów głośnikowych, wprowadzając w podstawowe pojęcia techniki głośnikowej. Na pierwszym planie są tu zdecydowanie informacje praktyczne, natomiast czysto teoretyczne rozważania zostały wprowadzone tylko wówczas, kiedy mają one znaczenie dla zrozumienia procesów zachodzących w głośniku. Szczególny nacisk został położony na ukazanie prostych metod obliczeniowych, obywających się bez skomplikowanych wyrażeń matematycznych, a mimo to dających solidną podstawę dla budowy wysokiej jakości głośników. Do niniejszego, pierwszego polskiego wydania, włączony został wyczerpujący rozdział o obliczaniu konstrukcji obudowy. Poza tym przedstawiono tu też problematykę obliczania zwrotnic częstotliwościowych. Na typowym przykładzie wyjaśniona została profesjonalna metoda rozwijania zwrotnic częstotliwościowych i pokazany sposób, w jaki przy pomocy odpowiedniego komputerowego oprogramowania symulacyjnego samodzielny konstruktor spróbować może własnych rozwiązań technicznych.

3 1. Podstawy fizyczne 1.1. Dźwięk, dźwięk powietrzny, dźwięk materiałowy Fale dźwiękowe są, z punktu widzenia fizyki, drganiem cząstek w ośrodku sprężystym. Pojedyncze cząsteczki tego ośrodka, który może być gazowy, ciekły lub stały, pobudzone zewnętrznym impulsem, wypadają ze swojego położenia równowagi. Drgają one periodycznie wokół swego pierwotnego położenia równowagi. Ruch ten przenosi się na sąsiednie cząsteczki. Dochodzi do zagęszczania i rozrzedzania materii i do rozprzestrzeniania się fal. Jeżeli drgania te zachodzą w powietrzu, mówimy o dźwięku powietrznym. Jeżeli drgania rozprzestrzeniają się wewnątrz ciała stałego, określa się to jako dźwięk materiałowy. Także w cieczach może się rozchodzić dźwięk. W próżni dźwięk się nie rozchodzi, ponieważ nie istnieje tam materia. Rys. 1. Fale dźwiękowe - zagęszczania i rozrzedzania powietrza To, co określamy jako dźwięk, nie jest zatem niczym więcej, jak bardzo małymi zmianami ciśnienia, nałożonymi na ciśnienie atmosferyczne. Słyszalne są takie wahania ciśnienia powietrza, które występują z określoną szybkością. Skrajnie wolne i skrajnie szybkie różnice ciśnienia są niezauważalne. Dopiero kiedy ciśnienie atmosferyczne zmienia się ok. 20 do razy na sekundę, nasz słuch może to zarejestrować. Częstość zmian ciśnienia powietrza nazywa się częstotliwością. Mierzona jest ona w hercach (Hz). Częstotliwość określa wysokość dźwięku. Amplituda jest to wychylenie drgających cząsteczek z ich położenia równowagi, określa ona głośność. Czas trwania jednej zmiany ciśnienia atmosferycznego do następnej nazywamy okresem. W jednym okresie fala dźwięku przebywa odcinek, równy dokładnie długości tej fali Rodzaje dźwięków Tonem nazywa się w akustyce dźwięk, który wytwarzany jest drganiami jednej częstotliwości (czyste drganie sinusoidalne). W naturze prawie nie występują takie czyste tony, słyszymy natomiast dźwięk, który jest złożony z wielu pojedynczych tonów. Rozróżniamy przy tym wielotony i szumy. Wielotony powstają przez zestawienie tonów, których częstotliwości są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości najniższego tonu. Nazywają się one harmonicznymi tonu podstawowego. Dźwięki takie znamy przede wszystkim z muzyki. Każdy fortepian przy uderzeniu pojedynczego klawisza wydaje dźwięk, który składa się z tonu podstawowego i harmonicznych. Tak więc ton fortepianu (właściwie powinno się mówić o dźwięku fortepianu) zawiera częstotliwości: 440 Hz, 880 Hz, 1320 Hz itd., aż do 10 lub 20 wyższych harmonicznych. Liczba i amplitudy harmonicznych określają barwę dźwięku instrumentu. Rys. 2. u góry: widmo dyskretne wielotony harmonicznego na dole: widmo ciągłe szumu Szumy (szmery, trzaski, szelesty itd.) są natomiast dźwiękami, których częstotliwości nie są zestawione wg w/w prawidłowości. W przeciwieństwie do wielotonów istnieją tu nie tylko pojedyncze częstotliwości (widmo dyskretne), ale w pewnym zakresie, częstotliwości rozłożone w sposób ciągły (widmo ciągłe). Każdy wieloton, a także każdy szum, można za pomocą analizy częstotliwości rozłożyć na odpowiednią liczbę tonów cząstkowych.

4 1.3. Wielkości fizyczne pola akustycznego Pojęciem pola akustycznego określa się w akustyce przestrzeń, w której rozchodzą się fale dźwiękowe. Do opisania pola akustycznego służą różne wielkości fizyczne, z których tutaj wymienić powinniśmy tylko kilka: - ciśnienie akustyczne, poziom dźwięku Ciśnienie akustyczne definiuje się jako zmianę ciśnienia wywoływaną przez drgające molekuły powietrza. Zakres ciśnienia akustycznego, który nasz słuch może odebrać, leży między 2 x 10-5 N/m 2 a 20 N/m 2 (przy 1000 Hz). Stosunek tych wartości wynosi (!). Aby móc łatwiej pojąć ten wielki zakres, wprowadzono logarytmiczną wielkość stosunkową: decybel (db), określający tzw. poziom dźwięku. Ciśnienie akustyczne 2 x 10-5 N/m 2 odpowiada zatem poziomowi dźwięku 0 db, ciśnienie 20 N/m 2 poziomowi dźwięku 120 db. W czasie normalnej rozmowy wytwarzany jest w odległości 1 metra poziom ok. 60 db. Dźwięk na koncercie rockowym nierzadko osiąga granicę bólu. Różnica w poziomie ciśnienia akustycznego wynosząca 10 db postrzegana jest jako podwójna głośność. Różnice 3 db są już wyraźnie słyszalne. Mniejsze różnice poziomu dźwięku rozpoznawalne są zazwyczaj tylko przy bezpośrednim porównaniu. - prędkość dźwięku a prędkość akustyczna (prędkość cząstki) Prędkość dźwięku określa, jak szybko dźwięk się rozchodzi w przestrzeni. Prędkość rozchodzenia się dźwięku zależy przy tym tylko od ośrodka, nie od częstotliwości. Prędkości dźwięku w różnych ośrodkach wynosi: powietrze 343 m/sek. woda 1440 m/sek. aluminium 6260 m/sek. guma 1480 m/sek. Prędkość akustyczna określa, z jaką prędkością drgają cząstki powietrza wokół swego położenia równowagi. Prędkość akustyczna nie powinna być mylona z prędkością dźwięku, chociaż obie wielkości mierzone są w m/sek. - moc dźwięku Moc dźwięku jest to energia dźwięku wypromieniowania ze źródła dźwięku w jednostce czasu. Moc dźwięku podawana jest w watach. Moc dźwięku różnych instrumentów muzycznych: trąbka ca. 0,3 W fortepian ca. 0,5 W kotły ca. 12 W orkiestra symfoniczna ca. 70 W 1.4. Zdolność słyszenia Zakres częstotliwości, który może odebrać nasz słuch, leży między 20 Hz a 20 khz, tzn. obejmuje ok. 10 oktaw, przyczym jedna oktawa odpowiada zawsze podwójnej częstotliwości. Zdolność słyszenia wysokich częstotliwości zmniejsza się z wiekiem. - próg słyszalności, próg bólu Jako próg słyszalności określa się najniższą granicę natężenia dźwięku, przy której dźwięk może być jeszcze słyszalny. Za próg bólu uważa się górną granicę, która wywołuje już wrażenie bólu. Oba progi zależą od częstotliwości. Nasz słuch jest szczególnie wrażliwy na częstotliwości między 700 a 6000 Hz. Wystarczy relatywnie słabe ciśnienie akustyczne, aby te częstotliwości zostały zauważone. W zakresie szczególnie małych częstotliwości wymagane jest większe ciśnienie akustyczne. Świadczy to o doskonałym przystosowaniu naszego organu słuchu do warunków życiowych. W naszym otoczeniu występują dźwięki o małych częstotliwościach i bardzo dużym ciśnieniu akustycznym. Przykładowo, zamykane drzwi wytwarzają ogromne ciśnienie akustyczne przy małych częstotliwościach. Małe częstotliwości nie są jednak dla nas tak istotne, jak średnie. Nasz słuch byłby stale przesterowywany i w przeciągu kilku sekund całkiem niezdolny do funkcjonowania, jeśli byłby tak samo wrażliwy na małe częstotliwości, jak na średnie. - odczuwalne natężenie dźwięku Krzywe progów słyszalności i bólu pokazują, że dwa tony o tym samym natężeniu dźwięku nie są odbierane jako tak samo głośne. Odnosi się to też do zakresu między progiem słyszalności a progiem bólu.

5 Rys. 3. Krzywe progu słyszalności i progu bólu Krzywe jednakowego poziomu głośności Ton basowy o 50 Hz będzie przy poziomie ciśnienia akustycznego 50 db tak samo głośno słyszalny, jak ton o 4 khz i 12 db (rys. 30). Oba tony wytwarzają odczuwalny poziom głośności dźwięku 20 fonów. Fon - jednostka poziomu głośności równa jest poziomowi ciśnienia akustycznego przy częstotliwości 1 khz. Największa czułość słuchu występuje przy 4 khz. Przy niskich tonach odczuwalność bardzo mocno spada, podczas gdy przy rosnącej częstotliwości spada zdecydowanie mniej, a powyżej 8 khz nawet ponownie wzrasta. Stosunek ten zmniejsza się wraz z rosnącym natężeniem dźwięku. Przy odtwarzaniu głośnikowym oznacza to, że zakłócenia, np. efekt brzęczenia, który leży w zakresie ok. 4 khz, występuje tu zdecydowanie wyraźniej niż przy większych lub mniejszych częstotliwościach. Aby umożliwić równomierne odtwarzanie częstotliwości nie tylko przy głośno, ale i cicho nastawionym wzmacniaczu, wbudowuje się często tzw. odpowiednią dla słuchu korekcję poziomu (loudness). Włączony jest przy tym filtr, którego charakterystyka częstotliwościowa przy zwiększaniu natężenia dopasowuje się do równego przebiegu krzywych słyszenia Rozchodzenie się dźwięku Punktowe źródło dźwięku wysyła fale kuliste. O punktowych źródłach dźwięku możemy mówić, kiedy rozmiary źródła dźwięku są o wiele mniejsze niż długość fal. Długość fal można obliczyć z częstotliwości i prędkości według poniższego wzoru: v = prędkość dźwięku (w powietrzu: 343 m/sek.) λ = długość fali (m) f = częstotliwość (1/s) Przykład: f = 34 Hz λ = 343/34 = ok. 10 m v= λ. f Głośnik niskotonowy o średnicy membrany 30 om może być traktowany jako punktowe źródło dźwięku, jeśli emituje on częstotliwość o np. 30 hercach odpowiadającą 10 metrom długości fali. W głośniku wysokotonowym natomiast, który powinien promieniować 10 khz (3,4 cm długości fali), promieniowanie wszechkierunkowe będzie możliwe tylko przy niezwykle małych rozmiarach membrany. Jeśli rozmiar membrany jest większy niż długość fali, następuje kierunkowa emisja dźwięku.

6 - ugięcie Jeżeli fala dźwiękowa natrafi na otwór w ścianie, który jest mniejszy niż długość jej fali, to fale dźwiękowe rozchodzą się z tego otworu jako fale kuliste. Otwór może być więc traktowany jako nowe punktowe źródło dźwięku. Jeśli otwór jest jednak większy niż długość fali, fale dźwiękowe rozchodzić się będą w niewiele zmienionej formie. Rys. 4. Ugięcie fal dźwiękowych po prawej na dużym otworze, po lewej na małym otworze - odbicie Jeżeli rozchodząca się fala dźwiękowa natrafi na przeszkodę, zostaje odbita. Pierwotna fala i fala odbita poruszają się w przeciwnych kierunkach. Dochodzi do powstania tzw. fal stojących. Jeśli fala odbija się między dwiema równoległymi ścianami, odległymi od siebie o całkowitą wielokrotność połówki długości fali, powstaje zjawisko rezonansu akustycznego. Jeżeli więc ściany mają odstęp np. I = 10 m, wtedy rezonans o najmniejszej częstotliwości powstaje dla fali, której długość jest równa 20 m. Rys. 5. Zasada głośnika magnetoelektrycznego cewkowego z tego wynika: c: prędkość dźwięku w powietrzu f R : częstotliwość rezonansu podstawowego Rezonans podstawowy ma zatem częstotliwość 17 Hz. Powstają jednak również inne rezonanse, których częstotliwości wynoszą: n=1,2,3... Fale stojące odgrywają dużą rolę w akustyce, a przy budowie głośników są po części pożądane (obudowa z falowodem, tzw. transmission-line), zob. rozdz ), po części szkodliwe (rezonanse przestrzenne, zob. rozdz. 9.2). 2. Zasady działania napędów głośnikowych 2.1. Zadanie przetwornika elektroakustycznego Dawno temu, w czasach fonografu Edisona, fale dźwiękowe rejestrowane były mechanicznie, poprzez odpowiednie nacinanie wałka. Jakość brzmienia była, jak wiadomo, bardzo marna. Zdecydowany przełom na drodze do standardu Hi-Fi możliwy był dopiero po wprowadzeniu nowego rozwiązania: przekształcania fal akustycznych na sygnały elektryczne. Zadanie to wykonuje obecnie mikrofon. Głośnik natomiast jest przetwornikiem zamieniającym energię w odwrotnym kierunku: drgania elektryczne musi przetwarzać ponownie w fale dźwiękowe. We wszystkich dyskusjach o różnicach brzmienia w odtwarzaczach płyt kompaktowych czy wymaganej grubości przewodu głośnikowego i kabla m.cz. do przedwzmacniacza, nie powinno się zapominać, że głośnik, mimo wszystkich udoskonaleń w ostatnich czasach, ciągle jeszcze jest najsłabszym ogniwem łańcucha Hi-Fi.

7 2.2. Promieniowanie dźwięku przez membranę Jeśli chcemy wyjaśnić procesy wewnętrzne zachodzące w głośniku, to nie możemy uniknąć kilku czysto teoretycznych, a więc dość skomplikowanych rozważań. Niniejszy rozdział ma wyjaśnić, co wpływa na charakterystykę częstotliwościową głośnika. Zrozumienie tych związków nie jest jednak niezbędnie konieczne do budowy głośników, toteż fragment ten można pominąć. Prawie we wszystkich głośnikach dźwięk promieniowany jest przez drgającą membranę. Membrana ta może mieć najróżniejsze formy (stożek, kopułka, membrana płaska). W każdym przypadku działa ona jednak w przybliżeniu jak tłok o ruchu posuwisto-zwrotnym. Membrana zagęszcza i rozrzedza stykające się z nią powietrze w taki sposób, że powstają i rozchodzą się fale dźwiękowe. - Impedancja promieniowania Drgająca membrana, która promieniuje energię akustyczną, pobiera tą energię z systemu drgającego. Można to porównać z opornikiem, który przekształca energię elektryczną w energię cieplną, a następnie wypromieniowuje ją. To, jak efektywnie drgająca membrana może przekształcić swoją energię mechaniczną w energię akustyczną, określane jest przez impedancję promieniowania Z r. Impedancja promieniowania membrany składa się z dwóch części: - część czynna (rezystancja promieniowania) - część bierna (reaktancja promieniowania). Część czynna impedancji promieniowania odpowiedzialna jest za promieniowanie dźwięku w przestrzeń. Część bierna związana jest z występowaniem tzw. masy współdrgającego ośrodka, czyli masy cząstek powietrza, przylegających bezpośrednio do membrany i drgających razem z nią, bez promieniowania jednak powstałej energii w przestrzeń. Masa współdrgającego ośrodka wpływa na wartość częstotliwości rezonansowej głośnika. Wielkość impedancji promieniowania membrany zmienia się wraz z częstotliwością i dlatego ma duży wpływ na charakterystykę częstotliwościową głośnika. Ponadto impedancja promieniowania jest tym większa, im większa jest powierzchnia membrany. W głośniku o przekroju kosza 30 cm maksymalna wielkość impedancji promieniowania występuje dla częstotliwości ok. 1 khz. Rys. 6 pokazuje w przybliżeniu, jak zmienia się impedancja promieniowania ze wzrostem częstotliwości. Przy małych częstotliwościach część czynna Z r wznosi się stromo w górę, proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości. Rys. 6. Przybliżony przebieg Zr głośnika o średnicy 30 centymetrów - moc akustyczna Emitowana przez membranę moc akustyczna zależna jest także od prędkości membrany v, to znaczy od prędkości, z jaką membrana drga wokół swego położenia spoczynku. Prędkość ta osiąga wartość maksymalną przy częstotliwości rezonansu f s. Poniżej f s prędkość rośnie wprost proporcjonalnie do częstotliwości, powyżej zaś f s maleje odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości. Przy ustalaniu mocy akustycznej, emitowanej przez membranę, należy wziąć pod uwagę wspomnianą już rezystancję promieniowania: Pak = Zr. v Moc akustyczna jest proporcjonalna do rezystancja promieniowania i kwadratu prędkości membrany. Rys. 7. Zależność prędkości membrany od częstotliwości (u góry) Zależność rezystancja promieniowania od częstotliwości (u dołu)

8 Można wziąć pod uwagę dwa przypadki: 1. poniżej f s : jak wspomniano wyżej, prędkość membrany jest proporcjonalna do częstotliwości, a więc moc akustyczna poniżej częstotliwości rezonansu wzrasta więc aż z czwartą potęgą częstotliwości, tzn. 12 db na oktawę. 2. Powyżej fs: prędkość membrany v spada proporcjonalnie do f, a więc moc akustyczna: Moc akustyczna jest zatem powyżej częstotliwości rezonansu niezależna od częstotliwości. Jest to zakres użyteczny pracy głośnika. Zaczyna on się wraz z częstotliwością rezonansu, a kończy się tam, gdzie rezystancja promieniowania nie wzrasta już z kwadratem częstotliwości, np. dla głośnika niskotonowego o średnicy 30 cm przy ok.. 1 khz. - charakterystyka częstotliwościowa Rys. 8 pokazuje uproszczony przebieg charakterystyki częstotliwościowej skuteczności głośnika dynamicznego. Krzywą można podzielić na cztery zakresy: W zakresie A poziom dźwięku wzrasta 12 db na oktawę, a w zakresie C jest niezależny od częstotliwości. Zakres B jest szczególnie interesujący, ponieważ tu znajduje się częstotliwość rezonansu. Rys. 8. Uproszczona charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznego W zakresie częstotliwości rezonansu charakterystyki częstotliwościowe różnych głośników bardzo się różnią. Dużą rolę odgrywa tu tłumienie. Jeżeli membrana zostanie pobudzona krótkim impulsem, nie przechodzi ona po tym impulsie natychmiast do stanu spoczynku. Poruszona masa membrany drga jeszcze przez krótki czas z częstotliwością rezonansową, co oczywiście nie jest pożądane. To, jak długo trwa takie drganie nieustalone, zależy od tłumienia. Tłumienie powodowane jest tarciem mechanicznym w zawieszeniu membrany. Energia drgania przekształcana zostaje w ciepło, a amplituda drgań membrany stopniowo maleje. Dla niższej krzywej w zakresie B (rys. 8) tłumienie jest duże, natomiast dla wyższej krzywej małe. Oba przypadki mają wady i zalety: 1. przy małym tłumieniu: Małe częstotliwości emitowane są mocniej. Odtwarzanie basów nie jest jednak zbyt czyste, gdyż impuls basowy powoduje długie wybrzmiewanie. 2. przy dużym tłumieniu: Odtwarzanie basowe jest wprawdzie poprawne, jednak charakterystyka częstotliwościowa opada tu zbyt wcześnie. Obok tłumienia mechanicznego istnieje jeszcze tłumienie elektryczne, które przy niskich tonach oddziałowuje o wiele mocniej. Cewka drgająca w polu magnetycznym wytwarza prąd jak w generatorze. Prąd ten może przepływać przez cewkę, przez przewód doprowadzający głośnika i przez mały opór wewnętrzny wzmacniacza, i wywiera siłę hamującą na cewkę. (Funkcjonuje to dokładnie tak samo jak w dynamie rowerowym, którym można lekko obracać przy wyłączonej żarówce, jeżeli jednak się ją przyłączy lub wręcz spowoduje krótkie spięcie, odczuwa się wyraźny opór obracając ręcznie pokrętłem.) Aby zmniejszyć wpływ strat elektrycznych zastosować przewód głośnikowy o dużym przekroju. Indukowany prąd wsteczny powinien płynąć bez przeszkód i mieć możliwość tłumienia niekontrolowanych ruchów membrany. Miarą dla tłumienia jest dobroć Q, pojęcie z elektrotechniki, które m.in. charakteryzuje obwody drgające. Obwód drgający tłumiony jest możliwie słabo. Stąd mała wartość tłumienia odpowiada dużej dobroci Q. Duża dobroć Q w głośniku nie zawsze jednak jest potrzebna. Najkorzystniejszym kompromisem jest wartość Q ok. 0,7. Ponieważ wartość Q zmienia się po wbudowaniu głośnika w obudowę, twierdzenie to obowiązuje tylko dla obudowanego głośnika.

9 Na rys. 8 można zauważyć, że w zakresie D moc dźwięku spada wraz z rosnącą częstotliwością. Przy jakiej częstotliwości i z jakim spadkiem to się dzieje, zależy od wielu czynników: 1. Jak już wspomniano, od pewnej częstotliwości rezystancja promieniowania już nie wzrasta, (np. w 30-centymetrowym głośniku niskotonowym dzieje się tak powyżej ok Hz). Ponieważ powyżej f s występuje stały spadek prędkości drgań membrany, w tym zakresie występuje również spadek mocy promieniowanej. 2. Impedancja cewki drgającej wzrasta na skutek pojawienia się wpływu jej indukcyjności. Układ drgający pobiera coraz mniej mocy elektrycznej, a więc i emituje coraz mniejszą moc akustyczną. 3. Wraz z rosnącą częstotliwością promieniowanie jest coraz bardziej kierunkowe, co zmniejsza opisane w punktach 1 i 2 spadki charakterystyki na osi głośnika. 4. Przy dużych częstotliwościach, w zależności od konstrukcji, nie drga już cała membrana, lecz tylko cewka i czasza ochrony przeciwpyłowej (tzw. krążek ochronny). W związku z tym zmniejsza się efektywna powierzchnia membrany, a zakres odtwarzanych częstotliwości rośnie Przetwornik magnetoelektryczny (elektrodynamiczny) Rys. 9 pokazuje zasadę, według której pracują wszystkie przetworniki magnetoelektryczne. Przewód doprowadzający prąd zawieszony jest elastycznie w polu magnetycznym. Prąd i wytwarza w przewodzie pole magnetyczne, które nakłada się na pole stałe. Dzięki temu na przewód działa siła F. Aby osiągnąć dużą siłę napędową, indukcja B i długość przewodu I muszą być możliwie duże. Rys. 9. Zasada działania przetwornika magnetoelektrycznego (dynamicznego) Głośnik magnetoelektryczny cewkowy Przeważająca część wszystkich głośników (głośnik stożkowy, głośnik z płaską membraną, głośnik kopułkowy) skonstruowana jest jako głośniki cewkowe. Przewód zwinięty jest tu w cewkę i zanurzony w pierścieniowym polu magnetycznym. Rys.10. Zasada głośnika magnetoelektrycznego cewkowego W ten sposób można niemal dowolnie zwiększać efektywną długość przewodu. W głośniku niskotonowym wynosi ona ok. 10 m. Ograniczenie długości jest spowodowane tym, że poruszająca się masa cewki nie po winna być zbyt duża. Cewka i membrana są umocowane są elastycznie na tzw zawieszeniach membrany i cewki (resor), tworząc coś w rodzaju systemu drgającego, podobnego do kuli wiszącej na stalowej sprężynie. Cewka po otrzymaniu bodźca drga tak jak kula, z częstotliwością rezonansu f s. Częstotliwość rezonansu jest tym większa, im większa jest masa membrany i cewki, a także im sztywniejsze są zawieszenia. Częstotliwość rezonansu f s jest bardzo ważną wielkością określającą właściwości głośników, przede wszystkim głośników niskotonowych Głośnik stożkowy Rys. 11 pokazuje budowę najczęściej stosowanego typu spośród głośników cewkowych, a mianowicie głośnika stożkowego. A oto bliższy opis poszczególnych elementów konstrukcji: Rys. 11. Głośnik stożkowy

10 - kosz głośnikowy Kosz głośnikowy służy do umocowania i wycentrowania układu drgającego i magnetycznego, jak również do umieszczenia w obudowie. Wykonany jest on ze sprasowanej blachy stalowej, a w głośnikach wysokiej jakości z odlewu aluminiowego. Przy użyciu odlewu aluminiowego uzyskuje się nieznaczne przesunięcie własnego rezonansu i unika wypaczenia kosza przy dużych obciążeniach. - magnes Magnes wytwarza pole magnetyczne w szczelinie powietrznej. Im silniejsze pole tym większy współczynnik sprawności. Poprawia się również odtwarzanie impulsów. Najczęściej używanym, bo najtańszym materiałem magnetycznym jest ferryt. Większe wartości indukcji pola uzyskiwane są przy zastosowaniu droższego stopu alniko (aluminium-nikielkobalt). - szczelina powietrzna Szczelina powietrzna powinna być możliwie wąska. Im mniejsza jest odległość między ścianami szczeliny, tym większa jest indukcja magnetyczna i dzięki temu też współczynnik sprawności. - cewka drgająca Cewka drgająca, która nas ogół umieszczona jest na karkasie w szczelinie powietrznej, przemienia podłączony elektryczny sygnał dźwiękowy w ruch układu drgającego. Jako materiały na cewkę stosuje się miedź lub aluminium. W zasadzie używa się drutów z okrągłym przekrojem. Aby osiągnąć możliwie wysokie upakowanie zwojów, używa się też drutu o przekroju prostokątnym (drutu płaskiego) lub o przekroju w kształcie sześciokąta foremnego (plastra miodu). Dzięki temu możliwe będzie lepsze odprowadzanie ciepła z karkasu. - karkas cewki Karkas cewki łączy cewkę z membraną, utrzymuje cewkę centralnie w szczelinie powietrznej i odprowadza ciepło. Jako materiał na karkas cewki stosowany jest papier, tworzywo sztuczne lub aluminium. Aluminium najlepiej odprowadza ciepło, ma jednak większą masę. - zwój zwarty Indukcyjność cewki drgającej (w głośnikach niskotonowych ok. 1 mh) powoduje wzrost impedancji wraz ze wzrostem częstotliwości. Zwój zwarty powinien temu zapobiegać. Składa się on z zamkniętego pierścienia miedzianego, umieszczonego na rdzeniu nabiegunnika. Przy dużych częstotliwościach cewka drgająca indukuje prąd zmienny na zwoju, który działa jak uzwojenie wtórne transformatora. Przekształcany prąd jest wprawdzie tracony w postaci ciepła, impedancja pozostaje jednak bliska wartości znamionowej i nie rośnie z częstotliwością. - zawieszenie cewki, resor Zawieszenie cewki utrzymuje karkas cewki centralnie w szczelinie powietrznej i wpływa na wartość częstotliwości rezonansu podstawowego oraz maksymalne wychylenie membrany. Jako materiał na resor stosuje się tkaninę impregnowaną. - membrana Membrana wprawia w drgania przylegające do niej powietrze. Powinna być ona lekka i sztywna (dwa sprzeczne wymagania!). Jako membrany używa się m.in. długowłóknistego papieru, tworzywa sztucznego (polypropylen, kewlar), utwardzonej pianki lub aluminium (struktura plastra miodu). Membrana papierowa została w ostatnich kilku dziesięcioleciach tak udoskonalona, że świetnie się broni wobec nowoczesnych materiałów. Polypropylen jest wprawdzie trochę cięższy od papieru, ma jednak tę zaletę, że ma większe wewnętrzne tłumienie, które tłumi wyższe rezonanse powodujące tzw. dzielenie się membrany (patrz rozdz. 4.2). Przy dużym kącie rozwarcia stożka membrana jest lekka, ale nie tak sztywna jak w stożku z małym kątem otwarcia, dysponującym większą masą. Korzystnym kompromisem jest membrana Navi (nierozwijalna, rys. 12), która łączy dużą sztywność z niewielką masą. Rys. 12. Membrana nierozwijana typu Navi Przy dużych częstotliwościach niekontrolowane drgania własne mogą być tłumione, jeśli membranę papierową powlecze się odpowiednim tworzywem sztucznym. - zawieszenie membrany Zawieszenie utrzymuje membranę w możliwie stałym zakresie sprężynowania w nadanym jej wcześniej kierunku ruchu. Sztywność zawieszenia wyznacza częstotliwość rezonansu podstawowego i maksymalne wychylenie. Zawieszenie wykonane jest z gumy, pianki, tkaniny powlekanej lub materiału membranowego (mocne zawieszenie).

11 - pokrywa ochrony przeciwpyłowej (krążek ochronny) Krążek ochronny chroni szczelinę powietrzną przed zanieczyszczeniami i gra rolę przy odprowadzaniu ciepła (wypycha gorące powietrze z przystosowanych do tego otworów). Przy użyciu aluminium krążek, połączony ściśle z karkasem cewki, działa jednocześnie jako radiator. Jako materiału używa się również papieru, tkaniny, filcu lub tworzywa sztucznego. - przewody doprowadzające Przewody doprowadzające, które łączą przyłącza na koszu z cewką drgającą, produkowane są z bardzo giętkiej linki Głośnik z membraną płaską W niemal wszystkich rozważaniach teoretycznych wychodzi się od membrany w formie tłoka, tzw. membrany płaskiej. Jest ona najprostszym i dlatego, wydawałoby się, najbardziej oczywistym rozwiązaniem. W praktyce stosowana jest jednak dosyć rzadko, choć ma przecież wiele zalet. Pierwszy znany głośnik, w którym zastosowano technikę membrany płaskiej, wyprodukowany został przez firmę KEF w Anglii. W nowszych czasach pojawiają się na rynku głośniki, w których płaska struktura membrany wzmacniana jest budową wewnętrzną w formie plastra miodu, na zasadzie przekładańca. W takich membranach napęd nie powinien być umocowany w środku, lecz centrycznie na obrzeżach membrany. Problem ten można rozwiązać przez odpowiednio duży przekrój cewki drgającej lub stożek transmisyjny. Zaletą głośnika z płaską membraną jest dobre sfazowanie poszczególnych głośników w zestawie. Ponieważ w głośnikach z płaską membraną środki akustyczne leżą na tej samej płaszczyźnie co ściana obudowy, pożądany przebieg fazy jest łatwy do uzyskania, przy czym poszczególne głośniki nie muszą być ustawione w jednej płaszczyźnie. W praktyce nie jest jednak łatwo stłumić wyższe rezonanse drgań membrany, występujące szczególnie intensywnie w płaskich membranach. Podczas gdy membrana stożkowa dzięki swemu kształtowi posiada sporą sztywność, w membranach płaskich większy nacisk trzeba położyć na tłumienie, aby wytłumić niepożądane wyższe rezonanse. Także masa membrany jest większa w porównaniu z membraną stożkową Głośnik kopułkowy Głośnik kopułkowy różni się od głośnika stożkowego głównie tym, że rezygnuje się tu z membrany stożkowej i zawieszenia, a dźwięk emitowany jest przez kopulastą membranę, która pełni jednocześnie rolę pokrywy ochrony przeciwpyłowej. Oto jego zalety: 1. Sztywna kształt kopułki powoduje przesunięcie wyższych rezonansów w kierunku dużych częstotliwości. Rezonanse te występują dopiero poza zakresem słyszalności. 2. Dzięki małej wielkości membrany kąt promieniowania jest bardzo duży. 3. Dzięki małej masie membrany osiągany jest stosunkowo duży współczynnik sprawności. Kopułka nie może przenosić dużych wychyleń, ponieważ utrzymywana jest tylko za pomocą jednego zawieszenia i dlatego ma skłonności do obracania się. Z tego powodu membrany kopułkowe montowane są tylko w głośnikach średnio- i wysokotonowych. Jako materiał na membranę używana jest często tkanina impregnowana, pokryta trwałym, sprężystym materiałem tłumiącym. Także specjalne stopy aluminium i tytanu nadają się wspaniale na materiał do budowy membrany ze względu na wysoki stopień sztywności przy małej wadze Głośnik tubowy z komorą ciśnieniową, napęd Normalny, bezpośrednio emitujący głośnik, jak np. głośnik stożkowy, ma bardzo mały współczynnik sprawności: tylko ok. 3-5% mocy elektrycznej jest rzeczywiście emitowana w postaci fali akustycznej. Dzieje się tak na skutek złego dopasowania membrany do otaczającego powietrza. Dopasowanie to można znacznie poprawić za pomocą tub (rozdział 6.3.4). Głośniki tubowe dla zakresu średnich i wysokich tonów pracują na zasadzie komory ciśnieniowej. Rys. 13 pokazuje sposób funkcjonowania napędu komory ciśnieniowej. Kiedy membrana M przesuwa się o długość x, powietrze w otworze o znacznie mniejszym przekroju przemieszcza się o długość y. Powoduje to znaczne zwiększenie prędkości w otworze. Dlatego mówimy o transformacji prędkości. Rys. 13. zasada głośnika ze sprzęgającą komorą ciśnieniową Transformacja ta nie może jednak przebiegać dla dowolnie dużych prędkości. Granice leżą tam, gdzie ze względu na dużą prędkość przepływu powstają straty na skutek zawirowań i tarcia. Tak dochodzi do tzw. zniekształceń sprężania, które objawiają się zwiększonym brzęczeniem. Poza tym współczynnik sprawności zmniejsza się, kiedy powietrze w

12 komorze jest zbyt mocno sprężane i ciśnienie spowodowane ruchem membrany nie może być już odpowiednio przekazane do tuby Głośnik wstęgowy W klasycznym głośniku wstęgowym między dwoma przeciwnie spolaryzowanymi płytkami magnesu rozpięta jest cieniutka taśma aluminiowa o niezwykle małej masie. Taśma ta porusza się, kiedy przepływa przez nią prąd. Chodzi o tę samą zasadę pracy co przy głośniku cewkowym, jednak z tą zaletą, że przewód elektryczny pełni jednocześnie rolę membrany. Jest więc możliwe, że masa membrany nie przekracza kilku miligramów. System wstęgowy należy do przetworników o najszerszym paśmie. Pofałdowanie zapobiega rozerwaniu wstęgi przy większych wychyleniach. Maksymalne wychylenie jest jednak tak małe, że zasada ta może być stosowana tylko w głośnikach wysokotonowych. Rys. 14. Zasada głośnika wstęgowego Ma on jednak wady: 1. Ponieważ szczelina powietrzna jest stosunkowo duża, pole magnetyczne jest zbyt słabe, aby osiągnąć zadowalający współczynnik sprawności. Można to poprawić zakładając tubę. 2. Impedancja wstęgi jest bardzo mała. W celu dopasowania do wyjścia wzmacniacza potrzebny jest transformator Przetwornik izodynamiczny Przetworniki izodynamiczny, nazywane także przetwornikami ortodynamicznymi, mylone są często z głośnikami wstęgowymi. Rys. 15 pokazuje przekrój takiego głośnika. Magnesy sztabkowe, które przyklejone są do perforowanej płyty biegunowej, mocuje się w niewielkim odstępie od membrany, tak, aby membrana i linie pola magnetycznego przebiegały równolegle. Istnieją głośniki, które mają magnesy tylko po jednej stronie, oraz takie, które zbudowane są symetrycznie. Te ostatnie mają wyższy współczynnik sprawności i większy zakres, w którym pole magnetyczne jest jednorodne. Membrana składa się z utrzymującej wysoką temperaturę cienkiej folii z tworzywa sztucznego, na którą naparowywany jest aluminiowy przewód. Rys. 15. Przetwornik izodynamiczny u góry: przekrój głośnika, u dołu: zasada pracy Przewód ułożony jest na membranie w formie zakoli w taki sposób, że jego cała przebiegająca w polu magnetycznym długość jest bardzo duża. Impedancja osiąga dzięki temu normalną wartość i nie potrzebny jest żaden transformator. Tę zasadę przetwornika można jednak, ze względu na ograniczone wychylenie membrany, zastosować tylko w głośnikach wysokotonowych. Współczynnik sprawności jest porównywalny z głośnikiem kopułkowym. Są jednak też specjalne konstrukcje z powiększonym odstępem między membraną a magnesem, które pracują jako głośniki średnio- a nawet niskotonowe. Siła, która napędza membranę, rozłożona jest równomiernie na całej jej powierzchni, dzięki czemu niebezpieczeństwo dzielenia się membrany jest bardzo małe. Zaletą przetwornika izodynamicznego jest dokładne odtworzenie krótkich impulsów. Przebieg impedancji jest także idealny. Ponieważ cewka drgająca prawie nie wykazuje indukcyjności, przebieg impedancji wygląda jak w rezystorze. Efektem jest wzorcowy przebieg faz. Problemy powstają dopiero w bardzo dużych głośnikach. Ponieważ membrana może się poruszać tylko w wąskim zakresie w polu magnetycznym może mieć jedynie małe wychylenia. Z tego powodu nie można osiągnąć dużych poziomów mocy promieniowanej.

13 2.4. Przetwornik elektrostatyczny W przetwornikach elektrostatycznych na ładunek elektryczny, który znajduje się w polu elektrycznym, wywierana jest siła. Rys. 16 pokazuje tę zasadę działania: Między dwoma metalowymi siatkami rozciągnięta jest cienka, przewodząca prąd elektryczny membrana (zazwyczaj z tworzywa sztucznego z nałożoną metalizacją). Napięcie polaryzacyjne od 1000 V do 5000 V wytwarza ładunek elektryczny na membranie poprzez rezystor R. Jego rezystancja jest bardzo duża, toteż ładunek może odpływać tylko w wolnym tempie, a zatem może być traktowany jako stały. Sygnał o częstotliwości akustycznej doprowadzony jest na siatkę metalową poprzez transformator o dużym napięciu. Napięcie to powoduje wywieranie siły mechanicznej na membranę. W zależności od biegunowości napięcia zmiennego, membrana poruszana jest ruchem posuwisto-zwrotnym, a dźwięk emitowany jest poprzez siatkę w obie strony. Zalety głośnika elektrostatycznego to: 1. Całkowicie równomierny napęd membrany, a więc brak skłonności do drgań własnych. 2. Czyste odtwarzanie przebiegów drgań o dużych częstotliwościach dzięki niezwykle małej masie membrany. Rys.16. Schemat połączeń przetwornika elektrostatycznego Ze względu na te walory głośniki elektrostatyczne zaliczane są do najbardziej wartościowych przetworników. Jednak na przeszkodzie rozpowszechnieniu tego przetwornika stoją istotne wady: 1. Bardzo duży koszt ze względu na napięcie polaryzacyjne; wymagane są transformatory wysokiej jakości. 2. Wrażliwość na wilgoć z powodu wysokiego napięcia (trzaski). 3. Szczególne wymagania co do wzmacniacza, który po części obciążany jest pojemnościowo. 4. Problemy powstające przy małych częstotliwościach i dużej głośności z powodu ograniczonych wychyleń membrany. 5. Ograniczony kąt promieniowania Przetwornik piezoelektryczny W tego rodzaju przetwornikach wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny. Jeżeli kryształ piezoelektryczny poddawany jest działaniu naprężeń mechanicznych, to powstaje napięcie elektryczne (wykorzystywane np. do zapłonu elektrycznego). Proces ten można odwrócić. Jeżeli więc do kryształu doprowadzone jest napięcie, to ulega on odkształceniu. Przy zmiennym napięciu drga on z częstotliwością doprowadzonego napięcia. Drganie przenoszone jest na małą membranę stożkową i wyemitowane w postaci fali dźwiękowej. Amplitudy są jednak bardzo małe, toteż przetwornik ten może być przydatny tylko jako głośnik wysokotonowy. Cechą szczególną tego głośnika jest jego impedancja. Zachowuje się ona jak kondensator, tzn. impedancja ma charakter pojemnościowy. Przy prądzie stałym i małych częstotliwościach impedancja jest bardzo duża, toteż w tym zakresie nie ma żadnego obciążenia głośnika. W praktyce jest to duża zaleta, gdyż można po prostu podłączyć wysokotonowy głośnik piezoelektryczny równolegle do innych głośników bez zwrotnicy częstotliwościowej. Maksymalne obciążenie podawane jest zazwyczaj nie w watach, ale w relacji do maksymalnego dopuszczalnego napięcia, które wynosi 25 V. Dzięki szeregowemu podłączeniu wielu głośników piezoelektrycznych, obciążenie zwiększa się tak jak w kondensatorach. Jeżeli pracować będą tylko głośniki piezoelektryczne, bez podłączonych równolegle innych głośników, wskazana jest ostrożność. Niektóre wzmacniacze przy czysto pojemnościowym obciążeniu mają skłonności do wzbudzania się. Ponieważ wysokotonowy głośniki piezoelektryczne są bardzo tanie, stanowią interesującą propozycję, jeśli szukamy głośników wysokoobciążalnych, trwałych i nie stwarzających problemów. Dźwięk głośników piezoelektrycznych określany jest często jako przenikliwy. Można na ten zarzut odpowiedzieć: głośniki piezoelektryczne z pewnością nie należą do wysokiej klasy, są jednak lepsze niż powszech nie się sądzi. Wysoki współczynnik sprawności i możliwość wysokiego obciążenia skłaniają często do zbytniego wzmacniania zakresu wysokich tonów, co rzecz jasna brzmi potem ostro i przenikliwie Głośnik jonowy Rys. 17. Przetwornik piezoelektryczny Wszystkie opisane dotąd głośniki mają wspólną cechę: aby został wyemitowany dźwięk, trzeba poruszyć mniej lub bardziej masywną membranę. Wysokotonowy głośnik jonowy nie ma tej wady, ponieważ nie ma tu membrany. Pali się w nim łuk elektryczny, który zasilany jest prądem o dużej częstotliwości. Prąd ten modulowany jest sygnałem o często-

14 tliwości dźwięku. Dzięki temu drga światło łuku, ale i temperatura - w rytmie napięcia częstotliwości dźwięku. Ponieważ objętość powietrza powiększa się wraz z rosnącą temperaturą, leżące najbliżej cząsteczki powietrza wprawiane są w ruch, a fale dźwiękowe mogą się rozchodzić. Wykorzystywany jest tu ten sam efekt, który ma miejsce przy powstawaniu grzmotu. Mamy tu więc idealny głośnik wysokotonowy, jeśli chodzi o wytwarzanie dźwięku. Ma on jednak i wady: koszt jest ogromny, a maksymalne osiągalne ciśnienie akustyczne nie jest zbyt duże. 3. Dane techniczne i metody pomiaru 3.1. Obciążenie znamionowe Obciążenie znamionowe głośnika, mierzone w watach, wskazuje, jaką moc elektryczną może przyjmować głośnik w pracy ciągłej. Jest ono określane wg DIN za pomocą dokładnie zdefiniowanego sygnału w postaci szumu doprowadzonego w cyklu 1 min.-włączenie/2 min.-wyłączenie w czasie 300 sekund. Ten sygnał ma symulować typowy utwór muzyczny. Należy przy tym zaznaczyć, że duże częstotliwości mają w takim sygnale znacznie mniejszą moc niż małe. Dlatego głośniki wysokotonowe, które mierzone są wg tej normy, obciążane są tylko ok. 10 procentami całej mocy. Wg tej normy można łączyć głośniki nisko- średnio- i wysokotonowe każdorazowo z np. 100 watami obciążenia znamionowego (wg DIN), jeżeli głośniki te mają służyć do zwykłego odtwarzania muzyki. Całkiem inne wymagania stawiane są profesjonalnym głośnikom muzycznym. Przy podawaniu obciążenia nie ma tu żadnych różnic między głośnikami nisko- i wysokotonowymi. Podaje się obciążenie nominalne, tzn. moc, z jaką pojedyncza membrana może dać sobie radę Obciążenie muzyczne Obciążenie muzyczne podawane w watach jest tym właśnie krótkotrwałym (max. 2 sek.) obciążeniem impulsowym, które nie wywołuje żadnych uszkodzeń głośnika i nie pogarsza w sposób odczuwalny jakości odbioru Charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznego Charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznego jest to zależność od częstotliwości poziomu ciśnienia akustycznego, jeśli na wejście głośnika podaje się sygnał elektryczny o poziomie niezależnym od częstotliwości. W zależności od rodzaju tego sygnału elektrycznego, rozróżnia się charakterystykę napięciową, prądową i mocową. Stosuje się następujące metody pomiaru: 1. Pomiar z przestrajaną sinusoidą: Jako napięcie wejściowe głośnika służy napięcie sinusoidalne, którego moc wynosi 1 W. Częstotliwość przebiegu rośnie powoli. Wyemitowany sygnał akustyczny (ciśnienie akustyczne) jest w odstępie 1 m odbierane za pomocą mikrofonu pomiarowego, wzmacniany i zapisywany specjalnym pisakiem. Dużym problemem jest znalezienie odpowiedniego miejsca pomiaru, ponieważ mikrofon powinien zbierać tylko dźwięk z głośnika, a nie odbicia od otaczających ścian. Odbicia te mogą powodować zmiany w przebiegu charakterystyki częstotliwości o db. Pomiar ten może być dokonany np. w przestrzeni otwartej, aby głośnik mógł emitować dźwięk bez przeszkód. Niestety, jest to często trudne do zrealizowania ze względu na duży hałas otoczenia, wiatr i pogodę. Dobrze byłoby mieć do dyspozycji pomieszczenie bez odbić. Dźwięk jest w nim pochłaniany przez ściany o specjalnej konstrukcji w postaci klinów ok. metrowej długości wykonanych z wełny mineralnej lub pianki. Do pomiaru częstotliwości poniżej 100 Hz potrzebne są naprawdę ogromne pomieszczenia, których budowa pociąga za sobą wysokie koszty. Konstruktor głośnika zmuszony jest dokonywać pomiaru sygnałem sinusoidalnym, gdyż tylko w ten sposób wyjdą na jaw różne błędy, np. uszkodzenia membrany. 2. Pomiar z szybko przestrajaną sinusoidą (chirp): Zamiast powoli przestrajanego sygnału sinusoidalnego użyć można sygnału pomiarowego, którego częstotliwość bardzo szybko przemiata pełen zakres pomiarowy. Zakłócenia występujące w pomieszczeniu pomiarowym na skutek odbić od ścian zostaną w ten sposób zminimalizowane. 3. Pomiar szumem różowym: Jest to metoda szczególnie dogodna dla konstruktora głośników, ponieważ nie wymagane jest tu żadne specjalne pomieszczenie pomiarowe. Głośnik testowany jest w mieszkaniu, a jako napięcie pomiarowe służy tzw. szum różowy (szum o widmie, którego gęstość mocy maleje jednostajnie w całym paśmie odwrotnie proporcjonalnie do częstotliwości). Za pomocą filtrów, które mają szerokość tercji lub oktawy, dzieli się pasmo częstotliwości na poszczególne podzakresy i mierzy poziom ciśnienia akustycznego w tych pasmach. Dzięki uśrednianiu poziomu w tych pasmach wygładza się ostre nierównomierności charakterystyki. Dzięki temu osiągamy rezultat, który odpowiada wrażliwości naszego słuchu. Są tanie urządzenia, za pomocą których nawet amator może przeprowadzić taki pomiar. Metoda ta jest dobra do pomiaru gotowego zestawu głośnikowego, gdyż uwzględnia wpływ otoczenia i można w ten sposób znaleźć korzystne miejsce ustawienia zestawu.

15 Rys. 18. Charakterystyka częstotliwościowa średniotonowego głośnika kopułkowego 3.4. Efektywność głośnika Efektywność głośnika, mierzona w db, jest poziomem, odpowiadającym średniej wartości natężenia dźwięku w środkowej części charakterystyki ciśnienia akustycznego. Przykładowo głośnik średniotonowy na rys. 18 ma efektywność równą 92 db Współczynnik sprawności Współczynnik sprawności, wyrażany w procentach oznacza stosunek wyemitowanej mocy akustycznej do doprowadzonej mocy elektrycznej Charakterystyka kierunkowości Do wykonania charakterystyki kierunkowości głośnik musi być ustawiony na talerzu obrotowym w pomieszczeniu pozbawionym odbić i okręcany powoli wokół własnej osi. Dla poszczególnych, ustalonych częstotliwości rysuje się poziom natężenia dźwięku w zależności od kąta ustawienia. Rozróżniamy następujące podstawowe typy charakterystyk: charakterystykę dookólną (wszechkierunkową), podłużną (mocno ukierunkowana) i dipolową lub ósemkową (równie silna z przodu i z tyłu, zero pod kątem 90 stopni). Optymalna charakterystyka może być bardzo różna dla różnych głośników. Np. w głośniku dyskotekowym korzystna byłaby emisja jednokierunkowa w postaci wiązki, podczas gdy w głośniku Hi-Fi dąży się na ogół do charakterystyki dookólnej lub dipolowej Rezystancja prądu stałego (RDC) Rys.19. Charakterystyka kierunkowości Rezystancja RDC cewki drgającej jest to jej opór omowy. Może on być mierzony omomierzem Charakterystyka częstotliwościowa impedancji elektrycznej Impedancja (opór dla prądu zmiennego) głośnika jest zależna od częstotliwości. Dla dużych częstotliwości wzrasta ona wraz z częstotliwością z powodu indukcyjności cewki. Rys. 20. Charakterystyka częstotliwościowa impedancji głośnika niskotonowego

16 Krzywa przerywana na rys. 20 ukazuje przebieg tej charakterystyki w sytuacji, kiedy cewka jest unieruchomiona. Jeśli cewka może drgać swobodnie, to przebieg charakterystyki impedancji przy rezonansie f s wykazuje silne maksimum (krzywa ciągła na rys. 20). Powodowany przez indukcyjność wzrost impedancji przy dużych częstotliwościach może być lekko wyrównany członem RC (patrz rozdz. 7.3). Ma to uzasadnienie wówczas, jeśli zastosowana zostanie zwrotnica częstotliwościowa i impedancja w danym zakresie mocno różni się od wartości znamionowej, leżącej u podstaw obliczania zwrotnicy (np. impedancja znamionowa 8 omów). Tę samą funkcję spełnia zwój zwarty. Dzięki pierścieniowi przewodzącemu, który położony jest wokół rdzenia bieguna, wyraźnie zmniejsza się wzrost impedancji przy dużych częstotliwościach (patrz rys. 20) Impedancja znamionowa (Z) Dla oznaczenia głośnika podawana jest impedancja znamionowa. Przeważająca większość głośników ma impedancję znamionową równą 4 lub 8 omów. Norma podaje, że w zakresie użytecznej pracy impedancja nie powinna być mniejsza o więcej niż 20% od impedancji znamionowej. Minimalna dopuszczalna impedancja wynosi więc w głośnikach 4-omowych 3,2 Ω w głośnikach 8-omowych 6,4 Ω Indukcyjność cewki drgającej (L) (Nie mylić z indukcją magnetyczną mierzoną w teslach). Jeśli mamy wyrównać wzrost impedancji, to musimy znać wielkość indukcyjności cewki drgającej L, mierzonej w µh (mikrohenry). Zdarza się, że wielkość ta nie może być zmierzona za pomocą normalnych mostków impedancji (częstotliwość pomiarowa 1 khz), ponieważ przy 1 khz w większości głośników przeważa opór czynny w porównaniu z oporem indukcyjnym (biernym) Częstotliwość rezonansu (f s ) Częstotliwość rezonansu f s [Hz] jest częstotliwością, przy której impedancja głośnika osiąga swoje pierwsze maksimum (rys. 20). Głośniki średnio- i wysokotonowe bez ferrofluidowego tłumienia powinny być pobudzane co najmniej jedną oktawę ponad f s. Rys. 21 pokazuje prosty układ do pomiaru f s. Częstotliwość rezonansu znajduje się tam, gdzie woltomierz pokazuje maksymalne napięcie. Rys. 21. Układ do pomiaru częstotliwości rezonansu Masa czynna układu drgającego (m MD ) Masa czynna układu drgającego m MD [g] jest sumą tych mas, poruszających się podczas drgań. Są to: cewka drgająca, membrana, część zawieszenia membrany i cewki, przewody doprowadzające i bezpośrednio sąsiadujące powietrze. Masę czynną oblicza się na podstawie zmiany częstotliwości rezonansowej, która następuje przez ulokowanie określonej masy dodatkowej na membranie Podatność (C MS ) Podatność C MS zawieszeń membrany i cewki, mierzona w m/n, wskazuje, jak sztywno zawieszona jest mebrana. Obliczana jest za pomocą częstotliwości rezonansu i masy czynnej. Im większa podatność, tym bardziej elastyczne jest zawieszenie membrany i tym mniejsza jest f s przy takiej samej masie membrany Dobroci Q Rozróżnia się trzy dobroci Q (wg Thielego i Smalta): 1. Dobroć mechaniczna Q MS, który określa tarcie mechaniczne, np. występujące w zawieszeniach 2. Dobroć elektryczna Q EL, która opisuje tłumienie drgań spowodowane efektem sprzężenia elektromechanicznego. 3. Dobroć całkowita Q TS, określona następującym wzorem: Dobroć Q TS wpływa silnie na charakterystykę częstotliwościową i drgania układu przy częstotliwości rezonansu Efektywna powierzchnia membrany (S D ) Efektywna powierzchnia membrany S D [cm 2 ] jest to powierzchnia, która przyczynia się do promieniowania dźwięku. określa się ją w sposób przybliżony jako sumę powierzchni membrany i połowy powierzchni zawieszenia membrany.

17 3.16. Równoważna podatność objętości powietrza (V AS ) Równoważna objętość powietrza V AS w litrach obliczana jest na podstawie powierzchni membrany i podatności zawieszeń. Działanie sprężynujące zawieszeń jest przeliczane na zamkniętą objętość powietrza o takim samym działaniu. Przyjmując, że głośnik ma V AS = 100 litrów, to podatność zawieszeń jest taka sama, jak dla 100 litrów zamkniętej objętości powietrza, która oddziaływuje na membranę o takiej samej powierzchni. Sens stosowania tej wielkości polega na uproszczeniu obliczeń przy projektowaniu obudowy głośnikowej. Zdarza się, że dwie takie same membrany umieszczone są obok siebie w obudowie. Jak duża jest w tym przypadku objętość V AS? Oba głośniki traktowane są jak jeden duży z podwójną objętością V AS. Wartości dla f s i Q TS nie zmieniają się. Przy trzech głośnikach uzyskujemy potrójną objętość V AS itd Indukcja magnetyczna (B) Indukcja magnetyczna B, mierzona w testach, oznacza siłę pola magnetycznego w szczelinie powietrznej. Właśnie indukcja, a nie objętość czy waga magnesu, jest oznaką jakości Strumień magnetyczny Strumień magnetyczny, podawany w mikroweberach, jest iloczynem indukcji i średniej powierzchni szczeliny powietrznej Stała BI Na podstawie stałej BI, wyrażanej w teslometrach, można bezpośrednio wnioskować o sile napędu, która działa na cewkę drgającą (patrz rozdz. 2.3). Duża wartość BI jest warunkiem uzyskania dużego współczynnika sprawności i jednocześnie wywołuje duże tłumienie rezonansu własnego membrany. Jeśli stała BI jest za duża, może mieć to następstwa w postaci zbyt słabego odtwarzania basów. Zbyt mała wartość BI powoduje przesadnie duży rezonans własny i słabe odtwarzanie impulsów przy niskich tonach. Poprawna wartość stałej BI zależy od zasady działania urządzenia (transmission-line, bas-reflex lub tuba) Pomiar stanu nieustalonego Pomiar stanu nieustalonego to praktykowana już od dawna metoda testowania odpowiedzi impulsowej głośników. Przy pomiarze charakterystyki częstotliwościowej ciśnienia akustycznego do głośnika doprowadza się ciągły ton sinusoidalny, którego częstotliwość powoli się zwiększa. Głośnik ma więc wystarczająco dużo czasu, aby dojść do drgań na danej częstotliwości. Natomiast przy pomiarze stanu nieustalonego do głośnika doprowadzanych zostaje tylko kilka okresów drgań sinusoidalnych o danej częstotliwości. Rys. 22. Odtwarzanie stanów nieustalonych a) elektryczny sygnał wejściowy b) sygnał emitowany z głośnika Ważne jest przy tym, aby drgania zawsze zaczynały się i kończyły przy przejściu przez zero. Emitowane fale dźwiękowe zbierane są mikrofonem i pokazywane na oscyloskopie. Istotny jest przy tym głównie początek i koniec impulsu. Im bardziej drgania podobne są do oryginału, tym lepsze jest odtwarzanie stanu nieustalonego głośnika przy tej częstotliwości. Aby sprawdzić głośnik w jego całkowitym zakresie pracy, należy przeprowadzić ten pomiar dla wielu różnych częstotliwości Analiza FFT W przeciwieństwie do pomiaru stanu nieustalonego, analiza FFT (szybka transformata Fouriera) pozwala jednym rzutem oka objąć duży zakres częstotliwości. W uproszczeniu metoda ta funkcjonuje następująco: do głośnika doprowadza się krótki, prostokątny impuls. W tym impulsie, który słyszalny jest jako krótki trzask, zawarte są wszystkie częstotliwości zakresu częstotliwościowego dźwięku. Odpowiedź impulsowa zbierana jest znów mikrofonem, zapisywana i przedstawiana trójwymiarowo.

18 Rys. 23. Analiza właściwości głośnika metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT) a) impuls pomiarowy b) rozkład czasowy widma ( wodospad ) Aby poznać wyniki, trzeba przeanalizować mnóstwo wartości pomiarowych, z czym może sobie poradzić tylko odpowiedni komputer. Na rys. 23 b) od lewej do prawej podana jest częstotliwość i amplituda (na wysokość). Tylna krzywa odpowiada zwykłej charakterystyce częstotliwościowej ciśnienia akustycznego. Nowością jest tu, że charakterystyki częstotliwościowe przedstawione są w porządku czasowym. Zapisane są one obok siebie od tyłu do przodu. Na osi można odczytać w milisekundach, po jakim czasie jakie występują częstotliwości i jak są silne. Można wyraźnie zauważyć, że niskoczęstotliwościowe składowe dźwięku drgają o wiele dłużej niż tony wysokie. Takie przedstawienie zachowania głośnika nazywa się też wodospadem. 4. Zniekształcenia dźwięku Porównując dźwięk między różnymi odtwarzaczami kompaktowymi, magnetofonami, wzmacniaczami i głośnikami, można zauważyć, że istnieją bardzo duże różnice brzmienia między głośnikami różnych producentów I typów budowy. Głośnik ma w łańcuchu Hi-Fi najtrudniejsze zadanie do spełnienia, tj. ponowne przetworzenie sygnału elektrycznego w akustyczny. Wymagane tu ogromne przyspieszenia stosunkowo dużej masy wywołują niestety najróżniejsze negatywne efekty. Zakłócają one dokładne odtworzenie pierwotnego sygnału w uchu słuchacza. W tym rozdziale przedstawione zostaną najważniejsze typy zakłóceń i zniekształceń Zniekształcenia linearne amplitudowe Zniekształcenia amplitudowe są to zafałszowania, które jest natychmiast dostrzegalne nawet dla laika. O zniekształceniach takich możemy mówić, jeśli wyemitowane ciśnienie akustyczne jest w sposób odczuwalny uzależnione od częstotliwości, a więc składowe dźwięku o różnych częstotliwościach odtwarzane są z różnymi amplitudami. Zniekształcenia amplitudowe można ocenić stosunkowo łatwo za pomocą charakterystyki częstotliwościowej ciśnienia akustycznego. Jeśli jest on w miejscu odsłuchu wyrównany, to odbiór też zazwyczaj nie jest zakłócony. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że zniekształcenia takie powodowane mogą być nie tylko przez głośnik, ale i przez samo pomieszczenie, w którym dokonuje się odsłuchu Drgania cząstkowe Zazwyczaj wychodzi się z założenia, że membrana - wszystko jedno czy stożkowa, kopułkowa czy płaska - porusza się jak sztywny tłok, tzn. ruchem posuwisto-zwrotnym z jednakową amplitudą drgań na całej powierzchni. Niestety, w praktyce założenie to okazuje się nieprawdziwe. W materiale membrany rozchodzą się fale giętne rozchodzące się od cewki napędzającej aż do obrzeża. Tam fale te są odbijane, nakładają się na fale biegnące i w ten sposób mogą utworzyć się fale stojące (drgania własne) w membranie. Część powierzchni membrany przesuwa się przy tym do przodu, a jednocześnie inna część do tyłu. Rys. 24 pokazuje przykładowe strefy na membranie poruszające się z przeciwnymi fazami. Rezultatem jest zanik emisji dźwięku. Położenie zakresów pozbawionych emisji dźwięku zmienia się wraz z częstotliwością. Następstwem jest poszarpana charakterystyka częstotliwościowa ciśnienia akustycznego. Drgania takie występują głównie w zakresie dużych częstotliwości. Zaradzić temu może możliwie sztywna membrana - dzięki użytemu materiałowi lub kształtowi - albo duże wewnętrzne tłumienie materiału membrany. Dzięki wewnętrznemu tarciu wzajemnemu łańcucha molekuł unika się dużych różnic faz drgań różnych części membrany, a tym samym stłumione zostają drgania własne. Oba środki zapobiegawcze można połączyć, jeśli powlecze się sztywną powierzchnię membrany odpowiednim materiałem o dużym tłumieniu. Rys. 24. Strefy membrany drgające z przeciwnymi fazami

19 4.3. Interferencje Interferencje występują wtedy, kiedy spotkają się dwie fale i zgodnie z położeniem wierzchołków lub dolin fali znoszą się lub wzmacniają. Problem ten ma znaczenie szczególnie w zestawach wielodrożnych. W zestawie dwudrożnym na rys. 25 istnieje zakres częstotliwości, gdzie głośniki nisko- i wysokotonowe tak samo mocno przyczyniają się do emisji dźwięku. Podczas gdy składowe dźwięku na osi wyjściowej dokładnie się dodają, pod pewnym kątem mogą się całkowicie znosić, ponieważ mają do przebycia różne drogi. Jedna składowa dociera do miejsca odsłuchu później niż inna. Mówimy wtedy o przesunięciu fazowym. Rys. 25. Interferencja fal w zestawie dwudrożnym Przy przesunięciu fazowym o 0 amplitudy dodają się, a przy 180 ma miejsce zupełne zniesienie. Między tymi wartościami możliwa jest każde inne przesunięcie fazowe. Następstwem tego zjawiska jest nierówny przebieg charakterystyki częstotliwościowej, co objawia się zniekształceniami brzmienia. Im dalej od siebie leżą poszczególne membrany w zestawie, tym silniej występuje ten efekt. W zestawach wielodrożnych membrany głośników powinny być jak najbliżej siebie. Poza tym głośniki powinny być umieszczone nad sobą, a nie obok siebie. Tym samym będzie wiadomo, że składowe dźwięku od poszczególnych głośników muszą pokonać tę samą drogę w każdym miejscu poziomej płaszczyzny odsłuchu. Zestaw powinien być tak ustawiona, żeby ucho słuchacza znajdowało się zawsze na wprost Zniekształcenia modulacji częstotliwości (dopplerowskie) Efekt Dopplera może się objawić w przykry sposób, jeśli z jednej membrany emitowane są tony o różnych częstotliwościach. Jeśli membrana drga z dużym wychyleniem dla częstotliwości np. 50 Hz i jednocześnie nakłada się na to ton o częstotliwości 1000 Hz, to patrząc od strony słuchacza źródło dźwięku tonu 1000-hercowego wędruje tam i z powrotem 50 razy na sekundę. Dokładnie tak jak klakson zbliżającego się samochodu brzmi wyżej, a oddalającego się - niżej, tak samo częstotliwość tonu 1000-hercowego zmienia się 50 razy na sekundę. W rezultacie powstaje modulacja częstotliwości tonu wysokiego tonem niskim. Na skutek tego ton wysoki brzmi szorstko, podobnie jak przy nierównomiernej prędkości przesuwu taśmy magnetofonowej. Efekt Dopplera występuje oczywiście tym silniej, im większe są wychylenia membrany, rośnie zatem wraz mocą tonu niskiego. Z drugiej strony głośnik basowy o małym przekroju membrany musi mieć większą amplitudę wychylenia niż duży głośnik. Stąd też efekt Dopplera jest większy przy mniejszych przekrojach membrany. Duże zniekształcenia dopplerowskie wytwarzają przede wszystkim głośniki szerokopasmowe, gdyż muszą one emitować jednocześnie bardzo niskie i bardzo wysokie tony. W zestawach wielodrożnych łatwiej poradzić sobie z tym problemem, ponieważ zakresy częstotliwości podzielone są pomiędzy poszczególne głośniki Zniekształcenia nielinearne Omawiane dotąd zniekształcenia mogą występować również w przypadku, kiedy ruch cewki drgającej jest całkowicie liniowy, tzn. kiedy odpowiada dokładnie prądowi na wejściu. W praktyce jednak rzadko mamy do czynienia z taką sytuacją. Z jednej strony wychylenie membrany może być tak duże, że cewka opuszcza jednorodne pole magnetyczne, z drugiej strony zawieszenie może mechanicznie ograniczać wychylenie. W obu przypadkach wygląda to tak, jak przedstawiono na rys. 26. Wierzchołki wychylenia zostają spłaszczone. Rys. 26. Zniekształcenia tonu sinusoidalnego spowodowane nielinearnością zawieszeń

20 Jeśli dzieje się to z tonem o częstotliwości np. 100 Hz, to za pomocą techniki pomiarowej łatwo można znaleźć nowo powstałe wyższe harmoniczne. Dla tonu o 100 hercach mają one wartości: 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz..., a więc są dokładnie całkowitymi wielokrotnościami tonu podstawowego. Ponieważ nie występują w oryginale, to mówimy o zniekształceniach częstotliwościowych. Za pomocą współczynnika zawartości harmonicznych podaje się w procentach udział wyższych harmonicznych. Na szczęście przy normalnej muzyce ucho nie reaguje zbyt mocno na tego typu zniekształcenia, gdyż każdy ton instrumentu muzycznego również składa się z tonu podstawowego i tych samych harmonicznych. W wyniku tych zniekształceń nie występują żadne składowe obcego pochodzenia. To, w jakiej mierze słyszalne są zniekształcenia harmoniczne, zależy od rodzaju muzyki. Przy czystym tonie sinusoidalnym już 1 % jest wyraźnie słyszalny. Natomiast w niektórych rodzajach muzyki, przede wszystkim przy niskich tonach, niemal niezauważalne jest 5-10% Intermodulacja O wiele bardziej uciążliwe od zniekształceń harmonicznych są zniekształcenia intermodulacyjne, powodowane również przez nieliniowe ruchy cewki drgającej. Jeśli membrana ma np. równocześnie emitować 50 Hz i 1000 Hz, to duża częstotliwość wyemitowana zostanie w sposób zniekształcony, jeśli ton o wysokości 50 Hz na skutek dużego wychylenia spowoduje spłaszczenie wierzchołków ruchu membrany. Powstają przy tym następujące częstotliwości mieszane: 1000 Hz - 50 Hz = 950 Hz 1000 Hz + 50 Hz = 1050 Hz Ponieważ częstotliwości te nie występują w sygnale oryginalnym, powodują one również zniekształcenie brzmienia. Pamiętajmy jednak, że zniekształcenia intermodulacyjne powstają tylko wtedy, kiedy wyemitowana zostanie większa ilość tonów o różnej częstotliwości i membrana nie może odtwarzać liniowo przebiegu czasowego prądu w cewce. W przeciwieństwie do tego efekt Dopplera występuje również przy układach całkowicie liniowych. Zniekształcenia intermodulacyjne są bardzo uciążliwie, gdyż dochodzi tu do powstania częstotliwości, które normalnie nie występują w dźwięku muzycznym. Podział zakresu częstotliwości między poszczególne głośniki okazuje się pomocny także i w tym przypadku. 5. Zestawy głośnikowe 5.1. Wielodrożne zestawy głośnikowe Jeśli chcemy zbudować zestaw głośnikowy, który obejmuje szeroki zakres częstotliwości, to mamy dwie możliwości: albo wybieramy system szerokopasmowy, albo dzielimy zakres przenoszenia na dwie lub więcej części. Oba rozwiązania mają wady i zalety: 1. Zalety pojedynczego głośnika szerokopasmowego: - niski koszt - promieniowanie dźwięku z jednego punktu - mniej interferencji - brak problemów fazowych powodowanych przez zwrotnicę częstotliwościową 2. Zalety wielodrożnego zestawu głośnikowego: - szerszy zakres częstotliwości - większa wytrzymałość - mała skłonność do drgań własnych - mniej zniekształceń intermodulacyjnych - mniej zniekształceń dopplerowskich Zazwyczaj górę biorą zalety zestawu wielodrożnego, toteż w ostatnim czasie rozwój prowadził wyraźnie w kierunku 2- i 3-drożnych zestawów głośnikowych. Przy wyborze głośników dla zestawu wielodrożnego obowiązują następujące podstawowe zasady: - Głośniki, które pokrywają różne części pasma powinny mieć taką samą efektywność. Nie należy głośnika basowego o np. 96 decybelach łączyć ze średnio- lub wysokotonowym o zaledwie 90 decybelach. W takim przypadku nie można oczekiwać wyrównanej charakterystyki ciśnienia akustycznego, gdyż średnie i wysokie tony będą odtwarzane zbyt słabo. W przeciwnym przypadku, średnie i wysokie tony, które są zbyt głośne, można obniżyć za pomocą regulatora współbieżnego typu L. - Z oczywistych powodów obciążalność i jakość brzmienia poszczególnych głośników powinny mniej więcej do siebie pasować.